แบตเตอรี่อะตอมในโลกยุคใหม่

วิทยาศาสตร์กำลังก้าวหน้าและพัฒนาอย่างต่อเนื่อง ปัจจุบันมีการประดิษฐ์แบตเตอรี่นิวเคลียร์ขึ้นแล้ว แหล่งพลังงานดังกล่าวสามารถใช้งานได้นานถึง 50 ปี และบางครั้งอาจนานถึง 100 ปี ทั้งนี้ขึ้นอยู่กับขนาดและสารกัมมันตรังสีที่ใช้

Rosatom เป็นบริษัทแรกที่ประกาศการผลิตแบตเตอรี่นิวเคลียร์ โดยในปี 2017 บริษัทได้นำเสนอต้นแบบในงานนิทรรศการ

นักวิจัยประสบความสำเร็จในการปรับปรุงชั้นต่างๆ ของแบตเตอรี่นิวเคลียร์ที่ใช้การสลายตัวแบบเบตาของไอโซโทปนิกเกิล-63 ในการผลิตกระแสไฟฟ้า

สารนี้ 1 กรัม มีพลังงาน 3300 มิลลิวัตต์ชั่วโมง

แบตเตอรี่อะตอมทำงานอย่างไร

แบตเตอรี่อะตอม หรือที่รู้จักกันในชื่อเครื่องกำเนิดความร้อนจากไอโซโทปรังสี (RIHG) คือแหล่งพลังงานที่ใช้กระบวนการสลายตัวของไอโซโทปรังสีเพื่อสร้างความร้อน และแปลงความร้อนนั้นให้เป็นพลังงานไฟฟ้า

หลักการทำงานของแบตเตอรี่อะตอมนั้นอาศัยการสลายตัวของกัมมันตรังสี ซึ่งนิวเคลียสของอะตอมจะแตกตัวและปล่อยอนุภาคและพลังงานออกมา วัสดุที่ใช้กันทั่วไปในแบตเตอรี่อะตอมอย่างหนึ่งคือพลูโทเนียม-238 ซึ่งมีครึ่งชีวิตยาวนาน พลูโทเนียม-238 สลายตัวเป็นยูเรเนียม-234 โดยปล่อยอนุภาคอัลฟาออกมา อนุภาคเหล่านี้มีพลังงานสูง ซึ่งจะถูกเปลี่ยนเป็นความร้อนเมื่อทำปฏิกิริยากับสิ่งแวดล้อม

การสร้างความร้อนเป็นขั้นตอนสำคัญในการทำงานของแบตเตอรี่อะตอม ความร้อนจะถูกถ่ายเทผ่านตัวแลกเปลี่ยนความร้อนไปยังตัวแปลงเทอร์โมอิเล็กทริก ตัวแปลงนี้ประกอบด้วยวัสดุที่สามารถสร้างกระแสไฟฟ้าได้เมื่อได้รับความแตกต่างของอุณหภูมิ ดังนั้น ความร้อนจากการสลายตัวของกัมมันตรังสีของพลูโทเนียม-238 จึงถูกถ่ายเทไปยังด้านหนึ่งของตัวแปลงเทอร์โมอิเล็กทริก ทำให้เกิดความแตกต่างของอุณหภูมิระหว่างสองด้าน ความแตกต่างของอุณหภูมินี้ช่วยให้สามารถสร้างพลังงานไฟฟ้าได้โดยใช้ปรากฏการณ์เทอร์โมอิเล็กทริกของซีเบค

พลังงานไฟฟ้าที่สร้างขึ้นโดยตัวแปลงเทอร์โมอิเล็กทริกจะถูกนำไปใช้ในการจ่ายพลังงานให้กับอุปกรณ์ไฟฟ้า ข้อดีหลักของแบตเตอรี่อะตอมคือเป็นแหล่งพลังงานที่เสถียรและใช้งานได้ยาวนาน ไม่จำเป็นต้องเปลี่ยนหรือชาร์จใหม่เป็นเวลาหลายปี อย่างไรก็ตาม เนื่องจากมีการใช้วัสดุกัมมันตรังสี แบตเตอรี่อะตอมจึงมีความเสี่ยงบางประการและต้องใช้มาตรการความปลอดภัยพิเศษในระหว่างการใช้งานและการจัดการ

 

แบตเตอรี่นิวเคลียร์อันตรายหรือไม่?

ผู้ผลิตอ้างว่าแบตเตอรี่เหล่านี้ปลอดภัยอย่างสมบูรณ์สำหรับคนทั่วไป เนื่องจากตัวเรือนได้รับการออกแบบมาเป็นอย่างดี

เป็นที่ทราบกันดีว่ารังสีเบตาเป็นอันตรายต่อร่างกาย แต่ในแบตเตอรี่นิวเคลียร์ที่สร้างขึ้นใหม่นี้ รังสีเบตามีความอ่อนและจะถูกดูดซับไว้ภายในเซลล์พลังงาน

ปัจจุบัน ผู้เชี่ยวชาญระบุอุตสาหกรรมหลายแห่งที่วางแผนจะนำแบตเตอรี่นิวเคลียร์ A123 ของรัสเซียไปใช้:

1. ยา.
2. อุตสาหกรรมอวกาศ
3. อุตสาหกรรม.
4. ขนส่ง.

นอกจากพื้นที่เหล่านี้แล้ว แหล่งพลังงานใหม่ที่มีอายุการใช้งานยาวนานยังสามารถนำไปใช้ในพื้นที่อื่นๆ ได้อีกด้วย

ข้อดีของแบตเตอรี่นิวเคลียร์

มีการเน้นคุณสมบัติเชิงบวกหลายประการ:

• ความทนทาน สามารถใช้งานได้นานถึง 100,000 ปี
• ความสามารถในการทนต่ออุณหภูมิวิกฤต
• เนื่องจากมีขนาดเล็ก จึงสามารถพกพาได้และนำไปใช้ในอุปกรณ์ขนาดกะทัดรัดได้

ข้อเสียของแบตเตอรี่นิวเคลียร์

• ความซับซ้อนของกระบวนการผลิต
• มีความเสี่ยงต่อการได้รับรังสี โดยเฉพาะอย่างยิ่งหากที่อยู่อาศัยชำรุดเสียหาย
• ราคาแพงมาก แบตเตอรี่นิวเคลียร์หนึ่งชุดอาจมีราคาตั้งแต่ 500,000 ถึง 4,500,000 รูเบิล
• เปิดให้เฉพาะกลุ่มคนจำนวนจำกัดเท่านั้น
• มีให้เลือกน้อย

การวิจัยและพัฒนาแบตเตอรี่นิวเคลียร์ไม่ได้ดำเนินการโดยบริษัทขนาดใหญ่เท่านั้น แต่ยังรวมถึงนักเรียนนักศึกษาทั่วไปด้วย ตัวอย่างเช่น นักเรียนนักศึกษาคนหนึ่งในเมืองทอมสค์ได้พัฒนาแบตเตอรี่พลังงานนิวเคลียร์ของตนเองที่สามารถใช้งานได้ประมาณ 12 ปีโดยไม่ต้องชาร์จใหม่ สิ่งประดิษฐ์นี้อาศัยการสลายตัวของทริเทียม คุณสมบัติของแบตเตอรี่นี้ยังคงไม่เปลี่ยนแปลงเมื่อเวลาผ่านไป

แบตเตอรี่นิวเคลียร์สำหรับสมาร์ทโฟน

ณ ปี 2019 มีการผลิตแหล่งพลังงานนิวเคลียร์สำหรับโทรศัพท์มือถือแล้ว โดยมีลักษณะดังภาพที่แสดงด้านล่าง

แบตเตอรี่เหล่านี้มีลักษณะคล้ายไมโครชิปที่เสียบเข้ากับช่องพิเศษในโทรศัพท์มือถือ แบตเตอรี่ดังกล่าวสามารถใช้งานได้นานถึง 20 ปี และไม่จำเป็นต้องชาร์จในระหว่างนั้น ซึ่งเป็นไปได้ด้วยกระบวนการฟิชชันนิวเคลียร์ อย่างไรก็ตาม แหล่งพลังงานนี้อาจทำให้หลายคนกังวล เพราะทุกคนรู้ว่ารังสีเป็นอันตรายและส่งผลเสียต่อร่างกาย และคงมีน้อยคนที่จะอยากพกโทรศัพท์ที่มีแบตเตอรี่แบบนี้ติดตัวไปตลอดทั้งวัน

แต่เหล่านักวิทยาศาสตร์อ้างว่าแบตเตอรี่นิวเคลียร์นี้ปลอดภัยอย่างสมบูรณ์ สารออกฤทธิ์ที่ใช้คือทริเทียม รังสีที่ปล่อยออกมาในระหว่างการสลายตัวนั้นไม่เป็นอันตราย คุณสามารถเห็นการทำงานของทริเทียมได้จากนาฬิกาควอตซ์เรืองแสง แบตเตอรี่นี้สามารถทนต่ออุณหภูมิได้ต่ำถึง -50°C และทำงานได้อย่างน่าเชื่อถือที่อุณหภูมิสูงถึง 150°C⁰ในขณะเดียวกัน ก็ไม่พบความผันผวนใดๆ ในการทำงานของหน่วยงานดังกล่าว

ถ้ามีแบตเตอรี่แบบนี้ไว้ใช้บ้างก็คงดี อย่างน้อยก็เอาไว้ชาร์จโทรศัพท์ที่มีแบตเตอรี่ธรรมดาอยู่

แบตเตอรี่ชนิดนี้มีแรงดันไฟฟ้าผันผวนระหว่าง 0.8 ถึง 2.4 โวลต์ และสร้างกระแสไฟฟ้าได้ระหว่าง 50 ถึง 300 นาโนแอมป์ โดยทั้งหมดนี้เกิดขึ้นตลอดระยะเวลา 20 ปี

ความจุคำนวณได้ดังนี้: C = 0.000001 วัตต์ * 50 ปี * 365 วัน * 24 ชั่วโมง / 2 โวลต์ = 219 มิลลิแอมป์

ปัจจุบันแบตเตอรี่มีมูลค่า 1,122 ดอลลาร์สหรัฐ เมื่อแปลงเป็นเงินรูเบิลตามอัตราแลกเปลี่ยนปัจจุบัน (65.42) จะได้มูลค่า 73,400 รูเบิล

แบตเตอรี่นิวเคลียร์ถูกนำไปใช้ที่ไหนบ้าง?

ขอบเขตการใช้งานแทบจะเหมือนกับแบตเตอรี่ทั่วไป โดยใช้ใน:

• ไมโครอิเล็กทรอนิกส์
• เซ็นเซอร์วัดความดันและอุณหภูมิ
• การปลูกถ่ายอวัยวะ
• ใช้เป็นพาวเวอร์แบงค์สำหรับแบตเตอรี่ลิเธียม
• ระบบการระบุตัวตน
• ชั่วโมง.
• หน่วยความจำ SRAM
• สำหรับจ่ายไฟให้กับโปรเซสเซอร์พลังงานต่ำ เช่น FPGA และ ASIC

นี่ไม่ใช่เพียงอุปกรณ์ทั้งหมดเท่านั้น รายชื่ออุปกรณ์จะเพิ่มขึ้นอย่างมากในอนาคต

แบตเตอรี่นิวเคลียร์นิกเกิล-63 และคุณลักษณะของมัน

แหล่งพลังงานนิวเคลียร์นี้ ซึ่งใช้ไอโซโทปที่ 63 เป็นพื้นฐาน สามารถใช้งานได้นานถึง 50 ปี โดยทำงานผ่านปรากฏการณ์เบตาโวลต์ ซึ่งเกือบจะเหมือนกับปรากฏการณ์โฟโตอิเล็กทริก ในปรากฏการณ์เบตาโวลต์ คู่ของอิเล็กตรอนและโฮลในโครงผลึกของสารกึ่งตัวนำจะถูกสร้างขึ้นโดยการกระทำของอิเล็กตรอนความเร็วสูงหรืออนุภาคเบตา ในขณะที่ในปรากฏการณ์โฟโตอิเล็กทริก คู่ของอิเล็กตรอนและโฮลจะถูกสร้างขึ้นโดยการกระทำของโฟตอน

แบตเตอรี่อะตอมนิกเกล-63 ผลิตขึ้นโดยการฉายรังสีเป้าหมายนิกเกล-62 ในเครื่องปฏิกรณ์ นักวิจัยกาฟริลอฟอ้างว่ากระบวนการนี้ใช้เวลาประมาณหนึ่งปี เป้าหมายที่จำเป็นมีอยู่แล้วในเมืองเชเลซโนกอร์สค์

หากเราเปรียบเทียบแบตเตอรี่นิวเคลียร์นิกเกิล-63 รุ่นใหม่ของรัสเซียกับแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน จะพบว่ามีขนาดเล็กกว่าถึง 30 เท่า

ผู้เชี่ยวชาญอ้างว่าแหล่งพลังงานเหล่านี้ปลอดภัยสำหรับมนุษย์ เนื่องจากปล่อยรังสีเบตาที่อ่อนมาก นอกจากนี้ รังสีเหล่านี้ไม่ได้ถูกปล่อยออกมาภายนอก แต่ยังคงอยู่ภายในอุปกรณ์

แหล่งพลังงานนี้เหมาะอย่างยิ่งสำหรับเครื่องกระตุ้นหัวใจทางการแพทย์ในปัจจุบัน อย่างไรก็ตาม ผู้พัฒนาไม่ได้เปิดเผยราคา แต่สามารถคำนวณได้โดยไม่ต้องอาศัยข้อมูลดังกล่าว ปัจจุบันนิกเกิล-63 หนึ่งกรัมมีราคาประมาณ 4,000 ดอลลาร์สหรัฐ ดังนั้นแบตเตอรี่ที่ใช้งานได้อย่างสมบูรณ์จึงต้องใช้เงินลงทุนจำนวนมาก

ส่วนประกอบของแบตเตอรี่นิวเคลียร์

นิกเกิล-63 สกัดได้จากเพชร อย่างไรก็ตาม การได้มาซึ่งไอโซโทปนี้จำเป็นต้องมีการพัฒนาเทคโนโลยีใหม่สำหรับการตัดเพชรซึ่งเป็นวัสดุที่ทนทาน

แบตเตอรี่นิวเคลียร์ประกอบด้วยตัวปล่อยและตัวรับที่คั่นด้วยฟิล์มพิเศษ เมื่อธาตุกัมมันตรังสีสลายตัว มันจะปล่อยรังสีเบตาออกมา ทำให้เกิดประจุบวก ในขณะเดียวกัน ตัวรับจะกลายเป็นประจุลบ ทำให้เกิดความต่างศักย์และเกิดกระแสไฟฟ้าขึ้น

โดยพื้นฐานแล้ว เซลล์พลังงานอะตอมของเรามีลักษณะคล้ายพายหลายชั้น ประกอบด้วยแหล่งพลังงานนิกเกิล-63 จำนวน 200 แหล่ง วางอยู่ระหว่างสารกึ่งตัวนำเพชรจำนวน 200 ชิ้น แหล่งพลังงานมีความสูงประมาณ 4 มิลลิเมตร และหนัก 250 มิลลิกรัม ขนาดที่เล็กนี้เป็นข้อได้เปรียบที่สำคัญสำหรับแบตเตอรี่อะตอมของรัสเซีย

การหาขนาดที่เหมาะสมนั้นเป็นเรื่องยาก ไอโซโทปที่หนาเกินไปจะขัดขวางไม่ให้อิเล็กตรอนที่เกิดขึ้นหลุดออกไป ในขณะที่ไอโซโทปที่บางเกินไปก็เป็นข้อเสีย เพราะจะลดจำนวนการสลายตัวแบบเบตาต่อหน่วยเวลาลง หลักการเดียวกันนี้ใช้ได้กับความหนาของสารกึ่งตัวนำด้วย แบตเตอรี่จะทำงานได้ดีที่สุดเมื่อมีความหนาของไอโซโทปประมาณ 2 ไมครอน ในขณะที่สารกึ่งตัวนำเพชรต้องการความหนาถึง 10 ไมครอน

แต่สิ่งที่นักวิทยาศาสตร์ทำได้จนถึงตอนนี้ยังไม่ใช่ขีดจำกัด ปริมาณการปล่อยไอเสียสามารถเพิ่มขึ้นได้อีกอย่างน้อยสามเท่า ซึ่งหมายความว่าแบตเตอรี่นิวเคลียร์จะมีราคาถูกลงได้ถึงสามเท่า

แบตเตอรี่นิวเคลียร์คาร์บอน-14 ที่มีอายุการใช้งาน 100 ปี

แบตเตอรี่อะตอมนี้มีข้อดีเหนือกว่าแหล่งพลังงานรังสีอื่นๆ ดังต่อไปนี้:

1. ราคาถูก
2. เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม
3. อายุการใช้งานยาวนานถึง 100 ปี
4. มีความเป็นพิษต่ำ
5. ความปลอดภัย.
6. สามารถทำงานได้ในสภาวะอุณหภูมิสุดขั้ว

ไอโซโทปกัมมันตรังสีคาร์บอน-14 มีครึ่งชีวิต 5,700 ปี ปลอดสารพิษโดยสมบูรณ์และราคาไม่แพง

ไม่เพียงแต่สหรัฐอเมริกาและรัสเซียเท่านั้น แต่ประเทศอื่นๆ ก็กำลังทำงานอย่างแข็งขันเพื่อปรับปรุงแบตเตอรี่นิวเคลียร์ให้ทันสมัยเช่นกัน! นักวิจัยได้เรียนรู้วิธีการสร้างฟิล์มบนพื้นผิวคาร์ไบด์ ส่งผลให้ต้นทุนของพื้นผิวลดลงถึง 100 เท่า โครงสร้างนี้ทนต่อรังสี ทำให้แหล่งพลังงานนี้ปลอดภัยและใช้งานได้ยาวนาน การใช้ซิลิคอนคาร์ไบด์ในแบตเตอรี่นิวเคลียร์ทำให้สามารถทำงานได้ที่อุณหภูมิ 350 องศาเซลเซียส

ด้วยเหตุนี้ นักวิทยาศาสตร์จึงสามารถสร้างแบตเตอรี่อะตอมด้วยมือของตนเองได้สำเร็จ!